DE1528919B - Vakuummantelheber zum Umfüllen von tief siedenden Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuummantelheber zum Umfüllen von tiefsiedenden Flüssigkeiten, wie Stickstoff, Wasserstoff oder Helium, aus einem Verflüssiger in ein Vorratsgefäß oder aus einem Vorratsin ein Verbrauchergefäß, der ein flüssigkeitsführendes Innenrohr und ein Mantelrohr aufweist, dessen Innenraum evakuiert und wärmeisoliert ist, wobei zur Kühlung des Hebers ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist.

Mit Vakuummantelheber bekannter Bauart, wie sie z. B. in den Veröffentlichungen von K. Mendelssohn, »Progress in Cryogenics« 2, Heywood & Company Ltd., London 1960, S. 38 bis 39; G. K. W h i t e, »Experimental Techniques in Low Temperature Physics«, Clarendon Press, Oxfort 1959, S. 49 und 51 bis 54, beschrieben sind, werden tiefsiedende Flüssigkeiten, wie Stickstoff, Wasserstoff oder Helium, vom Verflüssiger in Vorrätskannen und aus diesen zum Verbraucher umgefüllt. Derartige Vakuummantelheber bestehen aus einem flüssigkeitsführenden Innenrohr, welches von einem Mantelrohr umschlossen ist. Der Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohr ist evakuiert. Die durch Wärmeeinstrahlung bedingte Wärmezufuhr zum flüssigkeitsführenden Innenrohr des Hebers verursacht Verdampfungsverluste, die beim Überheben größerer Mengen flüssigen Kältemittels bzw. beim Dauerbetrieb, wie er beispielsweise bei Verdampferkryostaten gegeben ist, insbesondere bei Helium wegen dessen kleiner Verdampfungswärme beträchtlich sein können. Wegen der hohen Verflüssigungskosten für Helium ist also die Wärmezufuhr zum flüssigkeitsführenden Innenrohr eines Vakuummantelhebers so klein wie möglich zu halten.

Zur Verminderung der eingestrahlten Wärmemenge bei Vakuummantelhebern ist es nach R. B. J a c ο b s, R. J. Richard, S. B. Schwartz, »Advances in Cryogenic Engineering« 1 (1960), S. 87 bis 94; K. B. Martin, O. E. Park, »Advances in Cryogenic Engineering« 1 (1960), S. 95 bis 104, weiterhin bekannt, das Vakuummantelrohr und das Innenrohr auf den einander zugekehrten Oberflächen zu polieren. Ferner ist es nach K. Mendelssohn, »Progress in Cryogenics« 2, Heywood & Company Ltd., London 1960, S. 6, bekannt, die eingestrahlte Wärmemenge durch Einführung von Superisolierung in den Vakuumraum zu vermindern. Beide Maßnahmen ergeben zwar einen gewissen Erfolg, reichen aber für viele Anwendungsfälle nicht aus. Insbesondere haben Superisolierungen häufig den Nachteil, durch Nachgasen das Vakuum in nicht zulässigem Maße zu verschlechtern.

Es wurde von R. B. Scott, »Cryogenic Engineering«, Van Nostrand Co., 1959, S. 258, vorgeschlagen, eine Heberleitung für flüssiges Helium mit flüssigem Stickstoff zu kühlen. Der Vakuumraum des Hebers wird hier mit einem porösen Isolationsmaterial gefüllt, und das Vakuummantelrohr wird durch einen außenliegenden, von flüssigem Stickstoff durchströmten Wärmeaustauscher kalt gehalten. Diese Methode hat den Nachteil, daß ein zweites Kältemittel zur Kühlung des Hebers benötigt wird. Darüber hinaus muß der Vakuummantelheber mit einer dicken Isolationsschicht umgeben werden, wenn Aneisen von außen vermieden werden soll. Dadurch wird der Heber so unhandlich, daß die Methode viele für Fälle nicht anwendbar ist. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Heber mit verbesserter Isolation des Innenrohres gegen Wärmestrahlung zu schaffen, bei dem die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden sind. Das Kennzeichen der Erfindung ist darin zu sehen, daß das Innenrohr innerhalb des Vakuummantelrohres von einem gegenüber dem Innenrohr wärmeisolierten Strahlungsschutzrohr umgeben ist, an dem ein Wärmeaustauscherelement angeordnet ist, welches an ein Abgasaustrittsrohr des Vorrats- oder Verbrauchergefäßes angeschlossen ist. Weiter ist vorgesehen, daß' als Strahlungsschutzrohr ein auf der Außenseite poliertes Kupferrohr und als Wärmeaustauscherelement ein Kupferrohr verwendet wird, an welches an beiden Enden je ein kurzes Rohrstück aus schlecht wärmeleitendem Material angesetzt ist. Es hat sich als vorteilhaft- erwiesen, daß das Strahlungsschutzrohr und das Wärmeaustauscherrohr durch eine Lötverbindung zusammengehalten sind, die sich über den überwiegenden Längenbereich des Wärmeaustauscherrohres erstreckt.

Ein im Vakuumraum des Hebers angeordnetes gekühltes Strahlungsschutzrohr, welches das flüssigkeitsführende Innenrohr umgibt, vermindert die Verdampfungsverluste beim Überheben flüssiger Kältemittel beträchtlich. Dies wird durch einen Vergleich der durch Strahlung vom Vakuummantelrohr (bisher üblicher Heber) bzw. vom gekühlten Strahlungsschutz (erfindungsgemäßer Heber) zum Innenrohr gelangenden Wärmemengen deutlich (für die Abschätzung wurden für das Emissionsvermögen die Werte scu = 0,3 und ε ms matt = 0,25 eine Heberlänge von 1 m und. im Fall des gekühlten Hebers die in F i g. Ib gezeigte Anordnung der Rohre zugrunde gelegt):

Temperatur

des Innenrohrs

(⁰K) Temperatur des
Vakuummantels
bzw. Strahlungsschutzes
(⁰K)

Durch Strahlung

übertragene

Wärme (Q)

(kcal/h)

Qb Qa

Üblicher Vakuummantelheber (A) ...
Vakuummantelheber mit gekühltem
Strahlungsschutz (B)

4,2 4,2 4,2

Die Kühlung des Strahlungsschutzrohres kann auf rationellste Weise durchgeführt werden, indem der noch relativ große Kälteinhalt des aus dem Verbrauchergefäß abdampfenden gasförmigen Kältemittels ausgenutzt wird. Bei der Konstruktion des Wärmeaustauscherelementes ist zu beachten, daß auf dem Wege über dieses Element keine Wärme in das Vorratsgefäß für das flüssige Kältemittel gelangen darf.

293

100

70

0,219 2,92 ΙΟ-³ 0,7 ΙΟ-³

100 1,33 0,3

Dies ist durch den Einbau schlecht wärmeleitender Zwischenstücke an den Enden des Wärmeaustauscherelementes zu erreichen.

In vielen Fällen, insbesondere bei Anwendung des Verdampferprinzips zur Erzeugung tiefer Temperaturen, wird in der Tieftemperaturtechnik das Vorratsgefäß für das flüssige Kältemittel mit einem ständig darin verbleibenden Heber mit Absperrventil und

3 4

Kupplung ausgerüstet, in welchen dann die zu den schutzrohr 3 umgeben. An das Strahlungsschutzrohr 3 verschiedenen Verbrauchern führenden Anschlußheber (Cu) ist ein Wärmeaustauscherrohr 4 aus gut wärmeeingekuppelt werden können. In einem solchen Fall leitendem Material (Cu) auf nahezu der ganzen Länge ist es nicht möglich, in den Vakuummantel des zum angelötet. Lediglich die beiden nach außen mündenden Verbraucher führenden Hebers, wie bisher üblich, auf 5 Enden 41 und 42 des Wärmeaustauscherrohres 4, von der dem Vorratsgefäß zugekehrten Seite etwas Aktiv- denen das Ende 41 in der in F i g. 1 a enthaltenden kohle zur Verbesserung des Vakuums einzubringen. Teilschnittzeichnung des um 90° gedrehten Hebers zu Im Gegenteil würde hier die Aktivkohle als uner- erkennen ist, bestehen aus einem schlecht wärmewünschte Wärmebrücke zwischen dem hier nicht im leitenden Material (Edelstahl) und stehen nicht in flüssigen Helium, sondern in der Kupplung befind- io wärmeleitendem Kontakt mit dem Strahlungsschutzlichen und daher warmen Vakuummantel und dem rohr 3. Damit ist sichergestellt, daß weder über das flüssigkeitsführenden Innenrohr wirken. Um auch mit dem Flansch 5 an die nicht gezeigte, zum Rückeinen solchen Heber mit der zur Vakuumverbesserung gewinnungssystem führende Abgasleitung angeschlosbewährten Aktivkohle ausrüsten zu können, wird sene Ende 42 des Wärmeaustauscherrohres 4 Wärme zweckmäßig die Kohle in einem siebartigen Behälter 15 von außen zum Strahlungsschutzrohr 3 gelangen kann, untergebracht, welcher entweder am flüssigkeits- noch über das an den nicht gezeigten Verbraucher führenden Innenrohr oder, wo dies möglich ist, an der angeschlossene Ende 41 des Wärmeaustauscherrohres 4 kältesten Stelle des gekühlten Strahlungsschutzes an- Wärme vom Strahlungsschutzrohr 3 zum Verbraucher zubringen ist. gelangen kann. Auf der dem Verbraucher zugekehrten

Gegenüber den bisher bekannten und gebrauch- 20 Seite des Hebers ist an das Ende des Strahlungsschutzlichen Vorrichtungen hat ein Vakuummantelheber mit rohres 3, welches an dieser Stelle am kältesten ist, abgasgekühltem Strahlungsschutz den Vorteil, daß die ein Sieb 6 angesetzt, welches Aktivkohle enthält. Die Wärmeeinstrahlung zum flüssigkeitsführenden Innen- auf der Seite des Verbrauchers auf den verjüngten Teil rohr erheblich vermindert ist. Damit ergeben sich des Vakuummantelrohres 2 aufgesetzten Dichtungs-Einsparungen von flüssigem Kältemittel, die insbeson- 25 manschetten 7 bewirken, daß das in den Verbraucher dere bei Helium (etwa DM 75,— pro Liter Flüssigkeit) einströmende Kältemittel "zunächst den Verbraucher zu erheblichen finanziellen Einsparungen führen kön- (beispielsweise Verdampferkryostat) durchströmt und nen. Einen Fortschritt stellt auch die Kühlung des dann in das Wärmeaustauscherrohr 4 des Hebers geStrahlungsschutzes im Heber mit dem ohnehin an- langt, und nicht im »Kurzschluß« unter Umgehung fallenden Kaltgas aus dem Verbraucher gegenüber 30 des Verbrauchers direkt vom Austritt aus dem Innender bekannten Kühlung des Vakuummantels mit einem rohr 1 in das Wärmeaustauscherrohr 4 gelangen Hilfskältemittel dar. Es entfällt die Bereithaltung und kam.

Handhabung des Hilfskältemittels, und auch hiermit Die Lage der Rohre 1, 2, 3 und 4 ineinander ist aus

ist eine Kosteneinsparung verbunden. Die vakuum- den in F i g. 1 b enthaltenden Schnitten A-B und C-D

dichte Ausführung des Hebers mit gekühltem Strah- 35 ersichtlich, die den in F i g. 1 a eingezeichneten Schnitt-

lungsschutz ist nicht schwieriger als beim normalen linien mit gleicher Bezeichnung entsprechen. Schnitt

Heber, so daß auch beim Einbau des Strahlungs- A-B zeigt außerdem die verschieden geformten, aus

Schutzes die Eigenschaften des üblichen Hebers hin- dünnem Edelstahlblech bestehenden Abstandsstücke 8

sichtlich Güte und Erhaltung des Vakuums in vollem und 9, mit denen die Rohre 1, 2, 3 und 4 ineinander

Umfang bestehenbleiben. Auf die Vorteile, die durch 40 zentriert sind. Es wird so eine hinreichend stabile

die Einführung des Hebers mit abgasgekühltem Halterung der Rohre ineinander erreicht, ohne daß

Strahlungsschutz für spezielle Anwendungsfälle ge- Wärme von einem Rohr zum anderen gelangt, wo

geben sind, wird im einzelnen bei der Beschreibung dies nicht erwünscht ist. Schnitt C-D zeigt das Sieb 6

der Anwendungsbeispiele hingewiesen. in der Aufsicht.

In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungs- 45 Die schematische Darstellung in F i g. 2 zeigt als beispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es Anwendungsbeispiel einen als Verbindung vom Verzeigt flüssiger 10 zum Vorratsgefäß 11 dienenden Heber mit

F i g. 1 a einen Vertikalschnitt durch einen Vakuum- abgasgekühltem Strahlungsschutz. Er ist in den Ver-

mantelheber mit abgasgekühltem Strahlungsschutz, flüssiger mittels der Ringverschraubung 12 und in das

Fig. Ib zwei Horizontalschnitte durch den Va- 50 mit einem elastischen Anschlußstück 13 ausgerüstete

kuummantelheber mit abgasgekühltem Strahlungs- Vorratsgefäß 11 mittels der Ringverschraubung 14

schutz, gasdicht eingesetzt. Bei Verwendung eines herkömm-

F i g. 2 die schematische Schnittzeichnung eines als liehen Hebers ohne Strahlungsschutz ist das Vorrats-Verbindung zwischen Verflüssiger und Vorratsgefäß gefäß 11 über die mit einer Gummiblase 15 versehene dienenden Hebers mit abgasgekühltem Strahlungs- 55 Abgasleitung 16 an die zum Gasbehälter führende, schutz, nicht gezeichnete Abgasleitung des Rückgewinnungs-

F i g. 3 die schematische Schnittzeichnung eines als systems angeschlossen. Bei Verwendung eines abgas-

Verbindung zwischen einem Vorratsgefäß und einem gekühlten Hebers muß diese Leitung jedoch durch das

Flüssigkeitskryostaten dienenden Hebers mit abgas- Ventil 17 verschlossen werden,

gekühltem Strahlungsschutz. 60 Die schematische Darstellung in F i g. 3 zeigt als

Wie aus F i g. 1 a ersichtlich ist, besteht der Heber weiteres Anwendungsbeispiel einen abgasgekühlten

aus dem fliissigkeitsführenden Innenrohr 1, welches Heber zur kontinuierlichen Nachfüllung eines unter

auf der ganzen Länge von dem teilweise verjüngten, vermindertem Druck siedenden Kältemittelbades bzw.

teilweise zu einer Dose aufgeweiteten Vakuummantel- speziell Heliumbades. Der Heber ist wiederum mittels

rohr 2 umgeben ist. In dem aus dem Vorratsgefäß 65 üblicher, hier nicht eingezeichneter Dichtungselemente

oder der Heberkupplung herausragenden Teil des einerseits in das Vorratsgefäß 11 für das flüssige

Hebers ist das Innenrohr 1 von einem innerhalb des Kältemittel bzw. Helium, andererseits in den Flüssig-

Vakuummantelrohres 2 angeordneten Strahlungs- keitskryostaten 18 gasdicht eingesetzt. Die Abgas-

leitung 16 des Vorratsgefäßes 11 ist in diesem Fall über den Flansch 19 an den nicht gezeigten Gasbehälter angeschlossen. Die Kühlung des Hebers erfolgt mit dem im Kryostaten 18 anfallenden Kaltgas. Um das im Flüssigkeitskryostaten 18 enthaltene Kältemittel- bzw. Heliumbad unter vermindertem Druck sieden zu lassen, wodurch bekanntlich die Temperatur des Bades unter die normale Siedetemperatur abgesenkt werden kann, muß das anfallende Gas abgepumpt werden. Das Wärmeaustauscherrohr 4 des Hebers ist also in diesem Fall über den Flansch 5 an eine nicht gezeichnete Vakuumpumpe anzuschließen. Das Wärmeaustauscherrohr 4 muß dementsprechend so dimensioniert sein, daß der erforderliche Unterdruck über dem Flüssigkeitsbad im Kryostaten 18 erzeugt werden kann. Das fiüssigkeitsführende Innenrohr 1 des Hebers ist hier auf der Austrittsseite für die Flüssigkeit, d. h. der in den Kryostaten einmündenden Seite mit einem von außen betätigbaren Ventil 20 ausgerüstet, welches die Möglichkeit bietet, das aus dem Vorratsgefäß 11 mit der normalen Siedetemperatur entnommene flüssige Kältemittel bzw. Helium unter Entspannung und damit Abkühlung in den Kryostaten 18 einzufüllen.

Die Verwendung eines abgasgekühlten Hebers bietet für den in F i g. 3 dargestellten Fall der kontinuierlichen Nachfüllung von unter vermindertem Druck siedenden Flüssigkeitsbädern, speziell Heliumbädern, große Vorteile. Da die Verdampfung von Kältemittel innerhalb des Hebers durch die Kühlung weitestgehend unterdrückt wird, enthält die zum Entspannungsventil gelangende Flüssigkeit weit weniger Gas, als dies bei Verwendung eines üblichen Vakuummantelhebers der Fall wäre. Beim Nachfüllen von Flüssigkeit durch ein Entspannungsventil in einen unter vermindertem Druck stehenden Kryostaten ist aber der Gasanteil in der zum Entspannungsventil gelangenden Flüssigkeit im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens von entscheidender Bedeutung. Ein zu hoher Gasanteil erschwert nämlich die Trennung von Gas und Flüssigkeit nach der Entspannung.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vakuummantelheber zum Umfüllen von tiefsiedenden Flüssigkeiten, wie Stickstoff, Wasserstoff oder Helium, aus einem Verflüssiger in ein Vorratsgefäß oder aus einem Vorrats- in ein Verbrauchergefäß, der ein flüssigkeitsführendes Innenrohr und ein Mantelrohr aufweist, dessen Innenraum evakuiert und wärmeisoliert ist, wobei zur Kühlung des Hebers ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (1) innerhalb des Vakuummantelrohres (2) von einem gegenüber dem Innenrohr (1) wärmeisolierten Strahlungsschutzrohr (3) umgeben ist, an dem ein Wärmeaustauscherrohr (4) angeordnet ist, welches an ein Abgasaustrittsrohr des Vorrats- oder Verbrauchergefäßes angeschlossen ist.

2. Vakuummantelheber nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsschutzrohr (3) ein auf der Außenseite poliertes Kupferrohr vorgesehen ist.

3. Vakuummantelheber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeaustauscherrohr (4) ein Kupferrohr vorgesehen ist, an welches an beiden Enden (41, 42) je ein kurzes Rohrstück aus schlecht wärmeleitendem Material angesetzt ist.

4. Vakuummantelheber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsschutzrohr (3) und das Wärmeaustauscherrohr (4) durch eine Lötverbindung zusammengehalten sind, die sich über den überwiegenden Längenbereich des Wärmeaustauscherrohres (4) erstreckt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen